Nghiên cứu chế tạo thành phần khởi động dùng trong mặt nạ cách ly kiểu tái sinh ôxy

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 22, 05 2021 79 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THÀNH PHẦN KHỞI ĐỘNG DÙNG TRONG MẶT NẠ CÁCH LY KIỂU TÁI SINH ÔXY VƯƠNG VĂN TRƯỜNG(1), HÀ NGỌ[.]

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THÀNH PHẦN KHỞI ĐỘNG DÙNG TRONG MẶT NẠ CÁCH LY KIỂU TÁI SINH ÔXY

VƯƠNG VĂN TRƯỜNG (1) , HÀ NGỌC THIỆN (1) , VŨ TRẦN DƯƠNG (1) , NGUYỄN HÙNG THÁI (1)

1 ĐẶT VẤN ĐỀ Mặt nạ cách ly (MNCL) kiểu tái sinh ôxy là trang bị được sử dụng để bảo vệ

cơ quan hô hấp, mắt, da mặt khỏi bất kỳ hỗn hợp độc hại nào có trong không khí, không phụ thuộc vào tính chất cũng như nồng độ Khi sử dụng MNCL, cơ quan hô hấp được cách ly hoàn toàn với môi trường xung quanh, hỗn hợp khí thở được tuần hoàn trong không gian kín của mặt nạ với nồng độ các khí (ôxy, cacbonic) và hơi nước trong giới hạn cho phép [1, 2]

Bộ phận có chức năng tái sinh ôxy là bình tái sinh có chứa các thành phần gồm thành phần khởi động (bánh khởi động) và thành phần tái sinh Các thành phần này được chế tạo trên cơ sở các chất tái sinh ôxy thường là peroxide và superoxide của

khởi động nằm trong cơ cấu khởi động gồm ampul chứa dung dịch chất lỏng mồi (dung dịch muối hoặc dung dịch axít) đảm bảo tạo ra lượng ôxy cần thiết để thở ở giai đoạn đầu khi sử dụng MNCL Quá trình này diễn ra rất ngắn, từ 15 đến 30 giây [3] Bánh khởi động (BKĐ) cần phải đáp ứng những yêu cầu cơ bản như: có hàm lượng ôxy cao trên một đơn vị khối lượng; kịp thời tạo ra lượng hơi nước đủ để kích hoạt tầng tái sinh trong giai đoạn đầu; có độ bền cơ học cao, giữ được sự ổn định về cấu trúc trong quá trình vận hành, [3] Nguyên liệu hóa chất dùng để chế tạo BKĐ

có độ hoạt động hóa học cao, hút ẩm mạnh Do đó, việc chế tạo BKĐ đòi hỏi phải được thực hiện trong môi trường có độ ẩm dưới 20% trên các thiết bị, công nghệ chuyên dụng Nội dung của bài báo này, sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu chế tạo BKĐ dùng trong MNCL kiểu tái sinh ôxy bằng thiết bị, công nghệ trong nước

2 THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu, hóa chất

lượng hoạt động 25,5%, Nga); dung dịch mồi là hỗn hợp hai axit theo tỷ lệ thể tích

2.2 Phương pháp chế tạo BKĐ

Cân 100g hỗn hợp hóa chất ở trên đưa vào khuôn ép tạo hình BKĐ (đường kính 95,0 mm, chiều cao 12,0 mm), lực ép 60 Mpa, thời gian ép 20 giây Bánh khởi động sau khi ép được bảo quản trong hộp kín Các thao tác được tiến hành trong

2.3 Phương pháp xác định tổng hàm lượng ôxy hoạt động trong mẫu Tổng hàm lượng ôxy hoạt động được thực hiện trên thiết bị đo thể tích khí LML-2 (kết nối với máy đo lưu lượng khí) Cho BKĐ vào buồng phản ứng của thiết

bị, bơm vào bánh khởi động 1ml dung dịch mồi Quan sát và ghi lại lượng khí thoát

ra thông qua đồng hồ đo lưu lượng khí

2.4 Thử nghiệm đánh giá độ bền cơ học của BKĐ

Để đánh giá độ bền cơ học của BKĐ sau khi chế tạo đảm bảo chất lượng trong quá trình vận chuyển và bảo quản chúng tôi sử dụng thiết bị thử độ rung model TGC-FT-OC (Đài Loan) BKĐ được cho vào hộp đựng đậy nắp kín thử nghiệm trên thiết bị rung lắc TGC-FT-OC với biên độ 25 mm, tần số 60-80 lần/phút trong thời gian 30 phút Kết thúc thử nghiệm đánh giá các chỉ tiêu dạng ngoài, độ cứng (bằng thiết bị đo độ cứng Erichsen 60098/023) và độ giảm khối lượng

2.5 Phương pháp kiểm tra trở lực hộp tái sinh RP-6 Kiểm tra trở lực được tiến hành ngay sau khi kết thúc quá trình kiểm tra trên phổi nhân tạo hoặc thử nghiệm trên người ở lưu lượng khí vào 30L/min trên "Thiết

bị kiểm tra trở lực" Bật thiết bị kiểm tra trở lực, mở khí nén duy trì áp suất khí nén

thiết bị thông qua ống vòi voi, điều chỉnh lưu lượng khí kiểm tra ở 30L/min, đọc kết quả trở lực trên đồng hồ đo

2.6 Thử nghiệm khả năng tái sinh ôxy trên người tình nguyện

Để đánh giá chất lượng của BKĐ, khả năng tái sinh ôxy của hộp tái sinh RP-6, tiến hành thử nghiệm trên người tình nguyện Người tình nguyện được lựa chọn là những người khoẻ mạnh, tiền sử không mắc các bệnh về tim mạch, thần kinh, không

sử dụng rượu bia và các chất kích thích 72 giờ trước giờ thử nghiệm và được kiểm tra sức khoẻ sơ bộ trước và sau thử nghiệm (đo cân nặng, huyết áp, tần số thở) Cho người tình nguyện thở hoàn toàn bằng hộp tái sinh RP-6 ở các chế độ khác nhau: khi thực hiện các công việc với cường độ hoạt động trung bình; ở trạng thái nghỉ ngơi tương đối yên tĩnh Đo thời gian thở và đánh giá theo yêu cầu kỹ thuật của mặt nạ cách ly IP-6 [1]

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu lựa chọn tối ưu chủng loại, xây dựng đơn chế tạo BKĐ Tùy thuộc và tính năng kỹ thuật của mỗi loại MNCL mà BKĐ sử dụng trong hộp tái sinh cũng có những yêu cầu tương ứng BKĐ cần phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản như: có hàm ôxy lớn trên một đơn vị khối lượng; phản ứng với dung dịch mồi tạo lượng ôxy cần thiết đáp ứng nhu cầu hô hấp ban đầu; quá trình khởi động cần phải tạo ra lượng hơi nước đủ để kích hoạt thành phần tái sinh; có cấu trúc phù hợp;

có độ bền cơ học cao; giữ được sự ổn định về cấu trúc trong quá trình vận hành, an toàn cho người sử dụng Trên cơ sở các tài liệu tham khảo [3-5], nhóm nghiên cứu xây dựng thành phần đơn chế tạo BKĐ như bảng 1

Bảng 1 Đơn cơ sở chế tạo BKĐ

sinh khí ôxy tức thì khi mồi BKĐ; bột nhôm (Al) là nguồn sinh nhiệt đủ lớn giúp phân

tơi xốp, ổn định cấu trúc cho BKĐ

Như đã trình bày ở trên, các vật liệu chế tạo BKĐ là các hóa chất có độ hoạt

hút ẩm mạnh rất dễ xảy ra phản ứng hoá học khi tiếp xúc với các vật liệu hữu cơ, nước Do đó vật liệu lựa chọn để tạo cấu trúc cho BKĐ phải là các sợi vô cơ, có hoạt tính hoá học thấp (vật liệu trơ) Các tấm tái sinh không khí do Nga sản xuất năm

2001 và năm 2013 sử dụng amiang trắng làm vật liệu cấu trúc Tấm tái sinh do Việt Nam sản xuất cũng sử dụng amiang mác A-2-22 có đường kính sợi trung bình

chất liên kết tạo cấu trúc

3.2 Kết quả nghiên cứu lựa chọn chất làm nguồn tạo hơi nước trong BKĐ Trên cơ sở đơn cơ bản đã xây dựng như trong bảng 1, chúng tôi tiến hành khảo sát các chất trong vai trò là nguồn tạo hơi nước trong BKĐ sử dụng nhôm hydroxit

các thành phần và thiết lập các đơn như ở bảng 2

Bảng 2 Thành phần đơn chế tạo BKĐ trên cơ sở kali superoxide Đơn

№

Thành phần BKĐ, phần khối lượng

BKĐ được chế tạo theo quy trình công nghệ mục 2.2 Thành phần đơn tối ưu nhất được xác định bằng thực nghiệm, thông qua thử nghiệm chất lượng, khảo sát các thông số làm việc của bánh khởi động trên thiết bị đo thể tích khí LML-2 (kết nối với máy đo lưu lượng khí) theo mục 2.3 Các thông số khảo sát gồm: thể tích khí ôxy được giải phóng, khoảng thời gian kích hoạt BKĐ, thời gian làm việc của BKĐ

trực tiếp Hình dạng, màu sắc BKĐ sau phản ứng được quan sát, đánh giá bằng mắt thường Kết quả thử nghiệm được cho trong bảng 3

Bảng 3 Kết quả thử nghiệm BKĐ theo đơn nghiên cứu N1-N8 Đơn

Sử dụng

nồng, luồng khí ấm

nồng, luồng khí ấm

Sử dụng

bắt đầu sinh khí ôxy ở BKĐ;

BKĐ phản ứng hoàn toàn;

* Mùi, hơi nước khi ngửi trực tiếp khí thoát ra trong quá trình nhả ôxy

Các phản ứng có thể xảy ra tại bánh khởi động theo [7]

2KO2(NaO2) + 4H+ (H3PO4, H2SO4, H2O) 2K+ + 2H2O + O2 + Q (1)

4KO2 + 2H2O  4KOH + 3O2 + Q (2)

4NaO2 + 2H2O  4NaOH + 3O2 + Q (3)

4Al + 3O2  2Al2O3 + Q (4)

Al O + 2KOH(NaOH) + 3H O  2K(Na)[Al(OH) ] (5)

Đối với các đơn sử dụng KHSO4 (N1 đến N4) xảy ra các phản ứng:

Trong quá trình phản ứng BKĐ tạo ra mùi nồng là rất khó tránh khỏi vì môi trường có lẫn hơi nước ở nhiệt độ cao và toàn bộ khí sinh ra đi ra ngoài chưa ghép nối phản ứng với tầng hạt của hộp nên khi thử riêng bánh khởi động sẽ có mùi như trên

Do ampul chứa một lượng nhỏ dung dịch mồi BKĐ (1 ml dung dịch) nên thực

tế phản ứng (1) xảy ra rất nhanh tại một điểm để khơi mào cho các phản ứng tiếp theo từ (2) đến (8) Có thể nói, ôxy chủ yếu được sinh ra từ phản ứng (2) và (3)

cao sẽ dễ dàng làm khuếch tán KOH và NaOH cùng với hơi nước (tạo cảm nhận mùi

Thời gian kích hoạt BKĐ cũng như thời gian làm việc của BKĐ cũng kéo dài hơn

với 20 giây), trong khi thể tích khí tạo ra có phần ít hơn trên cùng đơn vị khối lượng

trong BKĐ với hàm lượng 40% cho các nghiên cứu tiếp theo

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần giữa kali superoxide và natri superoxide

tạo theo quy trình công nghệ mục 2.2 với tỷ lệ bột Al 3% và CaSiO3 3% Thành phần đơn tối ưu nhất được xác định bằng thực nghiệm, thông qua thử nghiệm chất lượng, khảo sát các thông số làm việc của bánh khởi động như độ cứng, độ bền cơ học, thể tích khí ôxy được giải phóng, khoảng thời gian kích hoạt BKĐ, thời gian làm việc của BKĐ Kết quả thử nghiệm được cho trong bảng 4

Bảng 4 Tỷ lệ thành phần KO2 và NaO2 trong đơn chế tạo BKĐ

%

%

Độ cứng BKĐ,

N

Độ giảm k.lượng,

%

t1, giây

t2, giây

VO2, lít

Tình trạng BKĐ sau phản ứng

hình dạng

dạng

N12), độ cứng của bánh khởi động giảm đồng thời độ giảm khối lượng của BKĐ trong thử nghiệm độ bền cơ học tăng Điều này có nghĩa độ bền cơ học của BKĐ

trong BKĐ thì thời gian kích hoạt BKĐ và thời gian làm việc cũng tăng lên (ở đơn N10 thời gian kích hoạt và thời gian làm việc của BKĐ lần lượt là 2 và 20 giây, đối với đơn N12 tương ứng là 3 và 32 giây) Thể tích ôxy thoát ra cũng tăng lên từ 11,6 lít với đơn N9 lên 11,8 lít với đơn N10 và 11,9 lít với đơn N11, N12 Điều này được

của BKĐ giảm đi Như vậy tỷ lệ thành phần của kali superoxide và natri superoxide trong đơn chế tạo BKĐ là 40% và 14% là phù hợp

3.4 Kết quả thử nghiệm trên người tình nguyện Bánh khởi động được chế tạo theo đơn N10, đường kính 95 mm, chiều dày 12

mm, khối lượng 100 g Sau đó sử dụng trong chế tạo hộp tái sinh RP-6 theo quy trình công nghệ chế tạo hộp tái sinh RP-6 Khối lượng chất tầng hạt tái sinh OKCh-3 là

650 g Tiến hành thử nghiệm trên người tình nguyện theo mục 2.5 Kết quả thử nghiệm được cho trong bảng 5

Bảng 5 Kết quả thử nghiệm trên người tình nguyện hộp tái sinh RP-6

TT

Huyết áp, cân nặng trước đeo (mmHg;

kg)

Huyết áp, cân nặng sau đeo (mmHg;kg)

Thời gian làm việc của Hộp tái sinh (phút)

Nhiệt độ bề mặt của hộp tái sinh (khi hoạt động) *

Trở lực hộp tái sinh sau khi đeo

Mô tả hiện trạng khác

a Trạng thái nghỉ ngơi

68

113/74

bình thường, luồng khí hít vào ấm, cảm giác dễ chịu

62

121/77

RP-6

b Hoạt động bình thường (đi bộ)

khởi động bình thường, luồng khí hít vào ấm, cảm giác dễ chịu

RP-6

* Nhiệt độ lớn nhất đo được trên bề mặt của hộp tái sinh (khi hoạt động) Tình trạng sức khỏe của những người thử nghiệm trước và sau khi sử dụng hộp tái sinh ôxy RP-6 đều bình thường Các chỉ tiêu nghiên cứu như thời gian làm việc của hộp tái sinh, nhiệt độ bề mặt của hộp tái sinh và trở lực hộp tái sinh tương đương với mẫu đối chứng [1]

4 KẾT LUẬN

- Đã xây dựng được thành phần đơn phối liệu chế tạo bánh khởi động sử dụng

- Đã chế tạo bánh khởi động và kiểm tra, thử nghiệm các thông số làm việc Kết quả thử nghiệm cho thấy lượng thể tích khí ôxy tức thời được sinh ra đạt 11,8±0,2 lít, tổng thời gian cụm khởi động hoạt động là 20±1 giây

- Đã thử nghiệm khả năng làm việc của BKĐ trong hộp tái sinh ôxy RP-6 trên người tình nguyện Kết quả cho thấy các chỉ tiêu nghiên cứu như thời gian làm việc của hộp tái sinh, nhiệt độ bề mặt của hộp tái sinh và trở lực hộp tái sinh tương đương với mẫu đối chứng